CN103747654A - 大功率电气发热元件散热用水冷板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大功率电气发热元件散热用水冷板，包括带有上翅片（8）的上板（6）及带有下翅片（4）的下板（7），带有上翅片（8）的上板（6）及带有下翅片（4）以及主流道的下板（7）焊接为一体，构成冷却介质流道，上下板还分别包括铣削加工的上板槽（13）和下板槽（12），上翅片（8）与下翅片（4）在流道中成一定角度交错排布，采用本发明的水冷板，增加了流道中冷却液的扰动，具有散热效率高，加工工艺相对简单等优点，水阻也控制在合理范围之内。
Description
技术领域
本发明涉及水冷散热技术，尤其涉及一种冷却大功率变流器功率模块或大功率交、直流试验电源功率模块的水冷板。
背景技术
水冷板设计过程中，水冷板内部流道以及散热翅片的设计是影响散热效果的主要因素。现有的水冷板散热翅片形式有平直型、锯齿形、多孔型等。采用上述翅片形式，水冷板加工工艺方案有在流道中直接铣削加工出翅片以及利用成型翅片填充散热区域流道，然后焊接为一体等。
但是现有的水冷板流道和翅片加工方案存在下列问题：
1. 直接在流道中铣削出翅片：在散热功率密度很大时，为了提高水冷换热系数，需增加翅片高度，减小翅片间隙。但是较高的翅片高度（≥10mm）,过小的翅片间距（≤1mm），在实际生产中很难加工，且加工效率比较低。
2. 利用成型的散热翅片：虽然降低了水冷板加工难度，在一定程度上增加了水冷换热系数，但是受到成型翅片加工工艺限制，翅片的厚度难以增加，相应的翅片间距也难以减小，这都不利于提高水冷板换热效率。
3. 流道中冷却液的扰动：以往水冷板方案增加冷却液扰动的措施，主要集中在翅片或者紊流器的外形上，没有对上、下板翅片的协同关系对冷却液形成的扰流进行过试验研究。
发明内容
本发明提出的水冷板散热翅片排列形式，大大增加了中冷却液的扰动，大幅提高了大功率变流器功率模块用水冷板的散热效率，加工工艺相对简单，水阻也控制在合理范围之内。
本发明具体采用如下技术方案实现：
大功率电气发热元件散热用水冷板，包括带有上翅片8的上板6及带有下翅片4的下板7，带有上翅片8的上板6及带有下翅片4以及主流道的下板7焊接为一体，构成冷却介质流道，上下板还分别包括铣削加工的上板槽13和下板槽12，上翅片8、下翅片4分别在上板槽13和下板槽12内，在流道中成一定角度交错排布。
优选的方案，电气发热元件设置在水冷板上板表面上，上翅片8的高度小于下翅片4的高度。
优选的方案，在安装多块发热元件情形下，为了防止相邻发热元件之间温度过高，设置了辅助流道11。
优选的方案，水冷板的接头采用不锈钢24°锥管接头5，该管接头与水冷板的密封方式为密封圈2密封。
优选的方案，散热用水冷板的上下两面同时安装电气发热元件。
上板、下板采用铣削加工出一定角度和高度的翅片（如图2、图4所示）。带有翅片的上板（如图1所示）和带有翅片及水道的下板（如图3所示）通过真空钎焊焊接在一起，形成水冷板基体（如图6所示），上板、下板的翅片成角度θ3（如图9所示）。上板（下板）开有进出水孔，管接头通过紧固螺钉，使用密封圈和水冷板上进出水孔连接，上板（下板）外表面开孔并镶嵌不锈钢螺套，用于安装发热元件和其他附属零件。
本发明的优点在于：所用铣刀直径较大，铣削深度浅，易于铝合金加工；铣削加工后真空钎焊，加工工艺简单；采用交错翅片排列形式，上下板翅片协同作用，可以使得冷却液在三维方向上产生扰流运动，吸热更充分，大大提高了水冷散热效率；局部散热热流密度大，可达44.5W/cm2；系统散热能力强，整体散热功率高达31kW；为防止相邻发热元件之间过热，开设有辅助水道；更大的优点在于尤为适用于发热元件双面水冷散热。
附图说明
图1为本发明上板结构示意图；
图2为上板A-A剖视图；
图3为上板B-B剖视图；
图4为图1中局部放大示意图；
图5为图2中局部放大示意图；
图6为下板结构示意图；
图7为下板A-A剖视图；
图8为图6中局部放大示意图；
图9为图7中局部放大示意图；
图10为24°锥管接头的结构示意图；
图11为24°锥管接头的A-A剖视图；
图12为24°锥管接头的B-B剖视图；
图13为水冷板整体结构示意图；
图14为水冷板整体A-A剖视图；
图15为图14水冷板整体B-B剖视图；
图16为图14中局部放大示意图；
图17为图15中局部放大示意图；
图18为本发明所述IGBT散热模块与水冷板安装示意图。
图中：1—24°锥管接头紧固螺钉孔；2—橡胶密封圈；3—主水道；4—下板翅片；5—24°锥管接头；6—上板；7—下板；8—上板翅片；9—IGBT；10—IGBT安装孔；11—辅助水道；12—下板槽；13—上板槽。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。
新型翅片排列形式大功率散热水冷板，包括带有翅片的上板6和带有翅片的下板7通过真空钎焊焊接为一体的散热基体，基体表面开有安装IGBT的螺纹孔10，还安装有水管接头5，螺纹孔镶嵌钢丝螺套，以满足安装的力矩要求。
所述的上、下板翅片是通过在上、下板上铣槽形成。首先给定上板、下板翅片的高度h1，h2与间距。（也既铣槽深度和槽间距），加工上板翅片区域时，刀具进给方向与上板成一定角度（θ1、θ2），以槽与槽之间的设定距离进行加工，同时加工出主水道3与辅助水道11，下板也加工出翅片。加工完成后，将上板和下板通过真空钎焊焊接在一起形成密封的水道。在进出口位置，安装有24°锥管接头5，接头通过密封圈2与水冷板形成密闭水道。水道中的冷却剂为一定体积比的蒸馏水和乙二醇的混合溶液，具体比例需根据水冷板工作的环境温度来确定。
更为具体的，水冷板材质选用铝合金，上板上开有安装IGBT发热元件和其他附属零件的螺纹孔，螺纹孔中镶嵌有不锈钢螺套，以满足安装力矩和多次拆装的要求。
本发明所述水冷板工作时：水冷板上板上表面安装6个，每个发热量为5168W的IGBT， IGBT与水冷板接触面积为89mm×250mm，安装力矩为5N·m，冷却水量60L/min，管接头采用特别设计的24°锥管接头，该管接头使用O型密封圈，通过紧固螺钉与水冷板表面形成密封关系。水冷板水阻大约0.5bar，每个IGBT对应散热区域的热阻为5.8℃/kW。
水冷板相关参数：流道高度10mm，上下板翅片间距(槽宽d)均为2.5mm,上下板翅片交错角度θ3=40°,上板翅片高度为(4mm)低于下板翅片（6mm），以适应上板上表面单面安装IGBT的散热需要。
具体原理为：采用该翅片布置形式，冷却剂可以同时在上板槽和下板槽内流动，当下板槽内流量高于上板槽内时（因该例除翅片高度外，其他参数均相同，流量大小主要取决于翅片高度），下板槽内冷却液会对上板翅片产生一定的冲击，类似于射流冲击传热，增加扰动，大大强化了上板翅片的对流传热，进而提高上板散热效果，满足了上板单面散热要求。
本发明并不限于上述实施方式，任何未背离本发明原理实质，采用与本发明上述实施相同或近似结构，而得到的水冷板，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1. 大功率电气发热元件散热用水冷板，其特征在于包括带有上翅片（8）的上板（6）及带有下翅片（4）的下板（7），带有上翅片（8）的上板（6）及带有下翅片（4）以及主流道的下板（7）焊接为一体，构成冷却介质流道，上、下板还分别包括铣削加工的上板槽（13）和下板槽（12），上翅片（8）、下翅片（4）在散热区域流道中成一定角度交错排布。
2. 根据权利要求1所述的大功率电气发热元件散热用水冷板，其特征在于电气发热元件安装在水冷板上板表面上时，上翅片（8）的高度小于下翅片（4）的高度。
3. 根据权利要求1或2所述的大功率电气发热元件散热用水冷板，其特征在于在安装多块发热元件情形下，为了防止相邻发热元件之间温度过高，设置了辅助流道（11）。
4. 根据权利要求1所述的大功率电气发热元件散热用水冷板，其特征在于水冷板的接头采用不锈钢24°锥管接头（5），该管接头与水冷板的密封方式为密封圈（2）密封。
5. 根据权利要求1所述的大功率电气发热元件散热用水冷板，其特征在于散热用水冷板的上下两面可同时安装电气发热元件。
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